Термическая обработка сплавов, не связанная с фазовыми превращениями в твердом состоянии

Нагрев для снятия остаточных напряжений. Многие технологические воздействия на обрабатываемые детали сопровождаются возникновении в них остаточных напряжений, которые уравновешиваются в объеме детали.

Значительные остаточные напряжения появляются в отливках и полуфабрикатах, неравномерно охлаждающихся после проката или ковки, в холоднодеформированных полуфабрикатах или заготовках, в прутках в процессе правки, в сварных соединениях, при закалке и т.п.

Чаще всего эти напряжения нежелательны. Они могут вызвать деформацию детали при обработке резанием или в процессе эксплуатации, а суммируясь с напряжениями от внешних нагрузок, привести к преждевременному разрушению или короблению конструкции.

Для уменьшения остаточных напряжений изделия нагревают. С повышением температуры предел текучести понижается, поэтому остаточные напряжения вызывают пластическую деформацию и снижаются до уровня предела текучести металла при температуре нагрева.

По окончании выдержки при заданной температуре изделия медленно охлаждают, чтобы предотвратить возникновение новых напряжений.

Рекристаллизационный отжиг. Нагрев деформированных полуфабрикатов или деталей выше температуры рекристаллизации называют рекристаллизационным отжигом. Цель отжига – понижение прочности и восстановление пластичности деформированного металла, получение определенной кристаллографической текстуры, создающей анизотропию свойств, и заданного размера зерна.

Рекристаллизационный отжиг часто используют в качестве межоперационной смягчающей обработки при холодной прокатке, волочении и других операциях холодного деформирования. Рекристаллизационный отжиг может быть использован в качестве окончательной обработки полуфабрикатов.

Диффузионный отжиг. В реальных условиях охлаждения расплава кристаллизация твердых растворов чаще всего протекает неравновесно-диффузионные процессы, необходимые для выравнивания концентрации растущих кристаллов по объему, отстают от процесса кристаллизации. В результате сохраняется неоднородность состава по объему кристалла – внутрикристаллическая ликвация.

Диффузионным отжигом называют длительную выдержку сплавов при высоких температурах, в результате которой уменьшается ликвационная неоднородность твердого раствора. При высокой температуре протекают диффузионные процессы, не успевшие завершиться при первичной кристаллизации.

Диффузионному отжигу подвергают слитки легированных сталей и многих алюминиевых сплавов, а в некоторых случаях и отливки. Для стальных слитков нагрев ведут при температуре 1 100–1 300 °С в течение 20–50 ч, для алюминиевых слитков – при температуре 420–520 °С с выдержкой 20–30 ч.

Термическая обработка сплавов с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

Эта обработка значительно упрочняет сплавы, что привело к широкому использованию сплавов этого типа – стареющих сплавов – в качестве конструкционных материалов повышенной и высокой прочности. Применяют стареющие сплавы на алюминиевой, медной, железной, никелевой, кобальтовой, титановой и других основах.

Рассмотрим принцип упрочняющей термической обработки стареющих сплавов на примере системы с промежуточным соединением (рис. 4.14).

Рис. 4.14. Диаграмма состояния компонентов с переменной растворимостью в твердом состоянии: а – диаграмма равновесия; б – количество первичных (1) и вторичных (2) кристаллов АmВn в сплавах разного состава при 20–25 °С (высота прямоугольника пропорциональна массе всего сплава)

К термически упрочняемым относятся сплавы составов от точки а до промежуточного соединения АmВn, в которых при охлаждении из твердого раствора α выделяются кристаллы АmВn. При этом степень упрочнения тем выше, чем больше масса вторичных кристаллов в равновесном сплаве (рис. 4.14, б).

Рассмотрим сплав I состава точки с, который в равновесном состоянии имеет двухфазную структуру, состоящую из кристаллов твердого раствора α концентрации точки а и относительно крупных вторичных кристаллов АmВn.

Сопротивление движению дислокаций возрастает по мере уменьшения расстояния между частицами упрочняющей фазы, т.е. сплав I станет прочнее, когда вместо немногочисленных крупных включений образуется большое количество мелких. Наибольшее препятствие для движения дислокаций создают включения, отстоящие одно от другого на 25–50 межатомных расстояний. В большинстве стареющих сплавов желательная дисперсная структура образуется в результате термической обработки, состоящей из закалки и старения.

При закалке сплавы нагревают до температур, обеспечивающих распад вторичных кристаллов. Для рассматриваемого сплава I такой будет температура, несколько превышающая t₁ (рис. 4.14, а ). Быстрое охлаждение с температуры закалки полностью подавляет процесс выделения вторичных кристаллов, и в результате получают однофазный сплав – пересыщенный компонентом В твердый раствор. Пересыщение твердого раствора относительно мало сказывается на повышении твердости и прочности, незначительно изменяется и пластичность сплавов. Пересыщенный твердый раствор представляет собой неравновесную структуру с повышенным уровнем свободной энергии.

Поэтому, как только подвижность атомов окажется достаточной, твердый раствор будет распадаться – начнется процесс старения.

При старении уменьшается концентрация пересыщающего компонента в твердом растворе, этот компонент расходуется на образование выделений.

В большинстве сплавов при старении получаются выделения нескольких типов.

При любой перегруппировке атомов в твердом растворе, в том числе и при зарождении выделений, необходимо преодолеть определенный энергетический барьер. Величину этого барьера называют энергией активации.

Энергия активации зарождения и роста выделений увеличивается с возрастанием отличий пространственной кристаллической решетки выделений от пространственной решетки основного твердого раствора. С увеличением температуры возрастает кинетическая энергия атомов и повышается вероятность преодоления более высокого энергетического барьера. Уменьшение свободной энергии при распаде пересыщенного твердого раствора будет наибольшим при выделении равновесных кристаллов АmBn, однако зарождение таких кристаллов, имеющих, как правило, сложную пространственную решетку, возможно только при достаточно высоких температурах. В общем случае при распаде пересыщенных твердых растворов могут возникать следующие образования (они перечисляются в порядке возрастания энергии активации зарождения): 1 ) зоны Гинье – Престона; 2) кристаллы метастабильной фазы; 3) кристаллы стабильной фазы.

Зоны Гинье – Престона (зоны Г–П) представляют субмикроскопические объемы твердого раствора с резко повышенной концентрацией растворенного компонента, сохраняющие решетку растворителя. При значительной разнице в размерах А и В, зоны Г–П имеют форму дисков. Диски закономерно ориентированы относительно пространственной решетки растворителя и затрудняют движение дислокаций.

Метастабильные фазы имеют иную пространственную решетку, чем твердый раствор, однако существует сходство в расположении атомов в определенных атомных плоскостях их решеток, что вызывает образование когерентной (или полукогерентной) границы раздела. Для метастабильных фаз характерна высокая дисперсность, что значительно повышает сопротивление движению дислокаций.

Стабильная фаза АmВn имеет сложную пространственную решетку с пониженным числом элементов симметрии и с большим числом атомов в элементарной ячейке.

Вторичные кристаллы со стабильной структурой в большинстве сплавов выделяются в виде достаточно крупных частиц. Значительное различие кристаллической структуры твердого раствора и стабильных кристаллов приводит к образованию некогерентной границы раздела и, следовательно, к минимальным искажениям решетки твердого раствора вблизи границы.

Если время выдержки достаточно велико, происходит коагуляция стабильных кристаллов. Коагуляцией называют рост кристаллов той фазы, которая распределена в виде включений в основе сплава. Рост кристаллов второй фазы происходит путем распада наиболее мелких и потому неустойчивых частиц и последующей диффузии растворенного компонента к более устойчивым частицам. Коагуляция приближает структуру сплава к равновесной.

Термическую обработку, приводящую к получению стабильной структуры (стабильные кристаллы АmВn после коагуляции), называют стабилизацией (термин подчеркивает получение более устойчивой структуры при возможном нагреве сплава в условиях эксплуатации).

Дата добавления: 2014-01-03